现代光谱分析-5(MFS)

5.1.3 跃迁的方式二-辐射跃迁
☆荧光发射 ：受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰豫到 达第一电子激发单重态的最低振动能级，以辐射的形式失活回到 基态，发出荧光。
由于无辐射使分子吸收的能量有部分损失，因此荧光的能量 比吸收的能量小，即荧光波长一般比激发光波长长。 10-9~10-7s 。 ☆磷光发射 ：若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第一激 发三重态，再通过振动驰豫转至该激发的最低振动能级，然后以 辐射的形式回到基态，发出的光线称为磷光。
激发光波长l1和l2的选择
（1）首先，在紫外光区内，固定激发光波长（可以任意 选择几个）对荧光物质进行荧光发射光谱的扫描，从而确 定产生最大的荧光强度时的荧光波长l2 ；
（2）固定荧光波长l2 ，对荧光物质进行激发光谱的扫描， 确定最佳的激发光波长l1 。
关于激发光的波长l1：
①决定荧光物质是否能够产生吸收并发射出荧光；
自猝灭——发光物质分子间碰撞而发生的能量无辐射转移。 自猝灭随溶液浓度的增加而增加。
自吸收——荧光化合物的发射光谱的波长与其吸收光谱的波 长重叠，溶液内部激发态分子所发射的荧光在通过外部溶液 时被同类分子吸收，从而使荧光被减弱。
荧光强度F与光源的辐射强度I0有关，因此增大光源辐射功率 I0可提高荧光测定的灵敏度。紫外-可见分光光度法无法通过 改变入射光强度来提高灵敏度。
Part Ⅴ
分子荧光光谱
Molecular fluorescent spectrometry
分子荧光光谱
• 当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线）照射， 吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的 波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入 射光，发光现象也随之立即消失。
（2）环境因素 ①温度
温度对荧光的影响很大。 温度降低会减少碰撞和非辐射失活的概率，因此会增加荧光强度。 例如：荧光素的乙醇溶液在0℃以下每降低10℃，荧光产率增加3%，当 温度降低至-80 ℃时，荧光产率为100%。
②pH值 含有酸性或碱性取代基的芳香化合物的荧光与pH有关。pH的变化影响 了荧光基团的电荷状态，从而使其荧光发生变化。
定量方法
①标准曲线法： 配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标准
曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强度，在标 准曲线上求出浓度。
②比较法： 在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度，再进
行比较。
无机物的荧光分析
无机物能够直接产生荧光并用于测定的很少。可通过与荧光 试剂作用生成荧光配合物、或通过催化或猝灭荧光反应进行 荧光分析。非过渡金属离子的荧光配合物较多。可用于荧光 分析的元素已近70种。
F = φIa 其中 Ia = I0-I I0——入射光辐射功率； I——透射光辐射功率； φ——荧光效率（荧光量子产率）
溶液浓度较低时：
当入射光的l和 I0一定时 ： F=Kc
即： 在低浓度时，溶液的荧光强度与荧光物
质的浓度成正比。
————这是荧光法定量的基础
5.6 影响荧光强度的因素
（1）内部因素
样品池：
采用低荧光材料，通常为石英池。
检测器：
光电倍增管
5.8 分子荧光光谱的应用
分子荧光光谱的应用
定性分析
定量分析
由于不同的物质其组成与 结构不同，所吸收光的波 长和发射光的波长也不同， 利用这个特性可以进行物 质的定性鉴别。
如果该物质的浓度不同，它 所发射的荧光强度就不同， 测量物质的荧光强度可对其 进行定量测定。
高功率连续可调激光光源是一种新型荧光激发光源。激光的单 色性好、强度大。激光光源近年来应用日益普遍。
钨灯和氢灯发出的紫外光强度太小，在荧光中应用不多。
单色器：
第一单色器——选择激发光波长l1 （＞250nm的紫外光）， 称为激发单色器。 第二单色器——选择(测量)发射光（荧光）波长l2 ，与激发 光入射方向垂直，称为荧光单色器。
③溶剂 溶剂极性增加，有时会使荧光强度增加，荧光波长红移。 若溶剂和荧光物质形成氢键或使荧光物质电离状态改变，会使荧光
强度、荧光波长改变。 含重原子的溶剂（碘乙烷、四溴化碳）使荧光减弱，磷光增强。
④溶解氧 往往使荧光强度降低。
5.7 分子荧光光谱仪
测量荧光的仪器主要由四个部分组成： 激发光源、样品池、双单色器系统、检测器
荧光试剂是具有两个或以上与MZ+形成螯合物的电子给予体 官能团的芳香结构。
无机化合物的分析： 铍、铝、硼、镓、硒、镁、稀土常采用荧光分析 法； 氟、硫、铁、银、钴、镍采用荧光熄灭法测定； 铜、铍、铁、钴、锇及过氧化氢采用催化荧光法 测定； 铬、铌、铀、碲采用低温荧光法测定； 铈、铕、锑、钒、铀采用固体荧光法测定

kf
k f ki kec kic
凡是使荧光速率常数kf增大而使其他失活过程（系间窜越、 外转换、内转换）的速率常数减小的因素（环境因素和结
构因素）都可使荧光增强。
5.5 荧光强度与浓度的关系
荧光是物质吸收光子之后发出的辐射，荧光强度（F） 与荧光物质的吸光强度Ia及其荧光物质的荧光效率φ成正比。
光源：
最常用的是高压汞蒸气灯。发出的是较强的线状谱，其中365， 398，436，546，579，690，734nm谱线较强。大多数荧光化合 物都可以在一定波长范围内用不同波长的光诱发荧光，因此通常至 少有一条汞线是适用的。
高压氙灯发出的光线强度大，而且是连续光谱，克服了汞蒸气 灯射线数目少、强度差别大的缺点。但氙弧灯热效应大，稳定性较 差。
☆内部转换：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级 回到低能级的分子内过程， 10-13~10-11s 。 ☆系间跨越 ：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多 重态发生变化的过程。含有重原子的分子中（如I、Br等）， 系间窜跃最常见，10-6~10-2s 。 ☆外部转换 ：激发态分子与溶剂或其他溶质相互作用和能量 转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的 减弱或消失，称为荧光熄灭或猝灭。
5.1 分子荧光的产生
5.1.1 分子的激发
基态→激发态(S1、S2、激发态振 动能级)：吸收特定频率的辐射， 跃迁一次到位。
激发态 基态
单重态： 一个分子中所有电子自旋都配对
S0
S1
T1
的电子状态。
三重态： 有两个电子的自旋不配对而平行 的状态。激发三重态能量较激发单重态 低。
5.1.2 分子的失活
荧光的波长总是大于激发光的波长。这是由于发射 荧光之前的振动驰豫和内转换过程损失了一定的能量。 荧光光谱的形状与激发光波长无关
电子跃迁到不同激发态，吸收不同波长的能量，产 生不同的吸收带，但荧光均是激发态电子回到第一激 发单重态的最低振动能级再跃迁回到基态而产生的， 这与荧光物质分子被激发至哪一能级无关。因此，荧 光光谱的形状和激发光的波长l1无关。
激发光谱与荧光光谱的关系
镜像规则 荧光光谱的形状与基态中振动能级的分布有关，而
激发光谱的形状反映了第一激发态单重态中的振动能 级的分布。一般情况下，基态和第一激发单重态中的 振动能级分布是相似的，通常荧光光谱与激发光谱大 致呈镜像对称。 Stokes位移
Stokes位移是指激发光谱与荧物质产生吸收并发射出荧光的激发光的波 长并不具有唯一性；
③在保证激发的前提下，不同激发波长处的荧光发射光 谱相同，但荧光强度不同。
④在进行荧光测定时，须选择激发光波长以保证荧光强 度最大。
5.3 分子荧光光谱法的特点
灵敏度高
选择性好 能够引起荧光的化学物质较少，应用范围小。
• 分子荧光是一种光致发光过程(photoluminescence):荧光 (fluorescence)和磷光(phosphorescence)
• 分子荧光光谱是一种发射光谱分析方法，是基于对化合物的荧 光测量的分析方法。
分子荧光光谱
5.1 分子荧光的形成 5.2 荧光的激发光谱与发射光谱 5.3分子荧光光谱法的特点 5.4 分子荧光的产生条件 5.5荧光强度与浓度的关系 5.6影响荧光强度的因素 5.7分子荧光光谱仪 5.8分子荧光光谱法的应用
由于激发三重态能量较激发单重态低，所以磷光的波长比荧光 的波长稍长。
磷光仅在很低的温度或黏性介质中才能观测到。因此磷光很少 应用于分析。 10-4~10s 。
荧光、磷光能级图
5.2 激发光谱与荧光光谱
任何荧光化合物都具有两种特征光谱： （1）荧光（发射）光谱：固定激发 光的波长，测量不同荧光波长处荧光 的强度，得到荧光光谱，即荧光强 度—荧光波长图。 （2）荧光激发光谱（荧光物质的吸 收光谱）：在荧光最强的波长处测量 随激发光波长的改变而变化的荧光强 度，得到荧光激发光谱。即荧光强度激发光波长图。
有机物的荧光分析
荧光法在有机化合物中应用较广。芳香化合物多能发生荧光。脂 肪族化合物往往与荧光试剂作用后才可产生荧光。
单组分的荧光测定 直接测定法 间接测定法：①利用化学反应使非荧光物质转变为荧光物质 ②荧光淬灭法：若被测物质具有荧光淬灭剂的作用，可测量荧光 强度的降低来测定该荧光物质的浓度。例如对氟、硫、铁、钴、 镍等的测定。
5.4 分子荧光产生的条件
（1）具有合适的结构。只有少数具有某些结构特性 的体系才会产生荧光现象。
（2）具有一定的荧光量子产率。
荧光与结构的关系
荧光量子产率
物质分子发射荧光的能力用荧光量子产率（Φ）表示：
发射荧光的分子数 发射的光子数 激发态的分子数 吸收的光子数
Φ与失活过程的速率常数k有关：
激发态→基态：多种途径和方式，速度最快、激发态寿命 最短的占优势。
激发态分子不稳定，要以辐射或非辐射跃迁方式回到基态，这就 是激发态分子的失活。 辐射形式：荧光和磷光 无辐射形式：振动弛豫，内转换，系间跨越，外转换